CN210669884U - 电路配置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种电路配置(1)，用于减少连接在交流电网(N)上的整流器(10)的输入电流的谐波，所述整流器用于为具有储存电容器(C中间电路)的直流电压用电设备(40)提供直流电压，所述电路配置包括连接在所述整流器(10)下游的直流电压调节器(20)以及调节装置(30)，所述调节装置被配置为用于为所述直流电压调节器(20)外加特别的电流，特别是为波形近似的DC电流外加谐波电流信号，从而减少所述输入电流中的谐波分量。由此，可减少输入电流中所包含的谐波。

Description

电路配置
技术领域
本实用新型涉及一种用于减少二极管整流器的输入电流中的谐波的电路配置。
背景技术
在用于例如为马达调理整流中间电路电压的开关电源或输入级中，一般采用脉宽调制转换法或整流法以作为用于将交变电流转换成直流电流的AC/DC整流方法。脉宽调制整流法是一种通过运用脉宽调制整流方法(pulse width modulation method)在使用功率开关元件的情况下使输入电流尽可能接近正弦波形的方法。脉宽调制转换法则具有能够减少输入电流的谐波并且还能使输出直流电压可变的优点。
另一方面，整流法是一种应用广泛并且通过使来自电流源的输入交变电流流过二极管所组成的桥式电路来实现整流的方法。然而不同于脉宽调制转换法的是，这种方法具有局限性，例如，如果输入端具有大量谐波，并且如果输出直流电压取决于输入交变电流的峰值，功率开关元件的温升就会小于脉宽调制转换法，这是因为整流法没有开关操作。
整流法的一大缺点是以下问题：整流法会产生大量非期望的谐波，这部分谐波将被包含在输入电流中。
DE 10 2008 055875 A1研究的是伺服马达的谐波问题。该公开案涉及一种伺服马达，其中控制设备根据操作需要输出马达输入信号(S)，其中设有能防止马达运行引起马达作用发生变化的构件，其中在控制设备中设有至少根据伺服马达的参数来描述伺服马达的谐波的谐波模型，其中根据伺服马达的参数从谐波模型输出校正信号，该校正信号被接到马达输入信号上，其中校正信号能抵消伺服马达的谐波。
DE 10 2011 016931 A1提出一种用于操作马达的马达控制装置，该马达实施将交变电流转换成直流电流的操作并且实施在马达的正常驱动模式期间抑制输入电流中的谐波的操作。该公开案还描述了马达控制装置，该马达控制装置通过用交变电流源供电的方式操作马达，包括以转换器工作模式工作的AC/DC转换器以及转换器控制单元，该转换器工作模式在脉宽调制转换器工作模式与整流工作模式之间切换，在脉宽调制转换器工作模式下，借助于对大量以串联和并联方式连接在一起的功率开关元件产生作用的脉宽调制调节将输入交流电压转换成直流电压，而在整流工作模式下，在使用大量以反向并联方式与数个对应的功率开关元件连接的二极管的情况下将输入交流电压转换成直流电压，转换器控制单元根据马达的正常驱动模式期间的负载对AC/DC转换器的转换器工作模式进行切换。这样一种装置技术难度大，并且既需要用于PWM方法的开关元件，又需要用于整流工作模式的半桥。
实用新型内容
因此，希望有一种技术上简单而有效的解决方案以及一种相应的减少输入电流中所包含的谐波的方法。有鉴于此，本实用新型的目的是克服现有技术中的上述缺点并提出一种如何操作整流器(特别是三相整流器)的解决方案，这种解决方案易于实现且实现成本低，其中特别是要单个或累计地取得以下优点：
-降低(占优势的谐波中的)谐波含量，
-减小滤波量(Filtervolumen)，
-EMC滤波器的组件选择上的成本优势，
-符合标准(遵守谐波的最高振幅水平)，其中重要的是让谐波主要符合DIN EN61000系列的相关标准，特别是根据适用范围符合关于16A以上电流的DIN EN 61000-3-12，这些标准规定了绝对电平，
-改善功率因数，以便能减小必要的导体横截面，
-获得比替代性经典PFC电路成本更低的解决方案，
-特别是通过省去附加的滤波组件和电子部件来节省空间。
这个目的通过根据下文所述的特征组合而达成。
为此，本实用新型提出一种用于减少连接在交流电网上的整流器的输入电流的谐波的电路配置，所述整流器用于为具有储存电容器(优选为中间电路电容器)的直流电压用电设备提供直流电压，所述电路配置包括连接在所述整流器下游的直流电压调节器以及调节装置，所述调节装置被配置为用于为所述直流电压调节器外加特别的电流，特别是为所述DC电流外加一个或数个谐波电流信号，从而减少所述输入电流中的谐波分量。
据此，本实用新型的基本理念是在DC相电流上加上(高次)振动，其实现方式是在直流电压调节器的直流电流上针对性地外加一个或数个与电网同步的谐波(＝正弦振动)。在有利的实施方案中，本实用新型可进一步具有以下选项中的一项或数项：
-谐波的外加与所接收的波动电功率有关(在此情况下，谐波振幅是不恒定的)，因此，针对性地以与功率有关的方式来外加具有非恒定振幅的电流；
-相对于预设额定值地进行谐波外加；
-在减少其他谐波的同时使用5次、11次、17次等谐波来从电网接收能量，借此分别以输入信号中所包含的谐波的5次、11次、17次、…、5+n·6次谐波来外加电流；
-从电网电压中产生外加信号，其中，在此情况下，直接从电网侧输入信号中产生用于将电流外加在直流电压调节器的电流上的电流信号；
-从中间电路中产生外加信号，其中前述储存电容器是中间电路电容器，并且从(所连接的用电设备的)包含这个中间电路电容器的中间电路中产生用于将电流外加在直流电压调节器的DC电流上的电流信号。
优选地，所述电路配置进一步采用以下设计：所述直流电压调节器是DC/DC转换器，优选是升压转换器、降压转换器、CuK转换器或其他合适的DC/DC转换器。
在本实用新型的有利技术方案中，进一步如下设置：所述直流电压调节器由数个DC/DC调节器的并联线路和/或串联线路形成，这取决于想要以交错模式还是以串联线路条件下的多电平模式来操作所述电路配置。
本实用新型的另一个方面也涉及一种借助上述电路配置来减少连接在交流电网上的直流电压用电设备的输入电流的谐波的方法，其中外加电流具有包含以下累计分量的电流波形(Stromform)：
a)恒定分量I恒定和加在该恒定分量上的绝对值|sin|，该绝对值以6倍电网频率f＝ω/(2·π)为周期性的，特别是根据函数
Figure BDA0002192255080000041
或
b)加在偏移值(优选为
Figure BDA0002192255080000042
)上的周期性分量
Figure BDA0002192255080000043
其中α·是可缩放常数，
Figure BDA0002192255080000044
·是输入电流的峰值。
在这种方法的优选技术方案中，如下设置：从电网电压中或者从通过调节装置的微处理器(μC)中的PLL而同步化的正弦振动中或者从获得自中间电路电压的信号中或者从整流器后面的抽头处的电压中产生电流信号。
在本实用新型的技术方案中，在调节器输出端上为或者可为所述DC/DC转换器接通先导控制器，以便基于包含时间t、中间电路电压U中间电路和输入电压U输入等变量的数学函数f(t、U中间电路、U输入)来对所述DC/DC转换器进行先导控制。
关于本实用新型其他有利改进方案的特征请参阅上文，下面参照附图并结合本实用新型的优选实施方案予以详细说明。
附图说明
其中：
图1为用于减少电网侧输入电流的谐波的电路拓扑结构的实施例视图，
图2为在根据本实用新型第一实施方式进行电流外加时，一个相中的电网电流的分布，
图3为在根据本实用新型第二实施方式进行电流外加时，一个相中的电网电流的分布，
图4为调节器的调节段视图，以及
图5为关于三个以不同方式外加的输入电流，电网输入电流上的谐波对比。
具体实施方式
下面参考附图并根据图中所示的两个实施例对本实用新型进行详细说明，其中，附图中的相同附图标记指向相同的结构特征和/或功能特征。
图1示出例示性的电路配置1，该电路配置借助三相整流器10对来自电网的输入电压进行整流，以便为具有储存电容器C中间电路的直流电压用电设备40提供直流电压。输入侧上可选地设有EMC滤波器。电路配置1能够减少所连接的整流器10的输入电流的谐波。
整流器10下游连接有直流电压调节器20，也就是DC/DC转换器20。此外还设有调节装置30，包括微控制器μC和传感器50。调节装置30通过信号技术和控制技术(如图1所示)与DC/DC转换器20和用电设备40连接。可选地，也可以在调节装置30与三相整流器10以及用于直接检测电网输入电压或输入电流的抽头之间建立连接。
其中，经DC/DC转换器20调节的电流根据电网电压和相位而对应于各相中的电流。
据此，调节装置30经配置而使得直流电压调节器20被外加一个相当特别的电流，从而针对性地减少输入电流中的谐波分量。
借助DC/DC转换器20可将电压水平调整至为用电设备而定义的值。对用电设备40和DC/DC转换器的调节都是通过微控制器μC而实现，其中相应的模拟信号由上游传感机构调理。借助于在微控制器μC中运行的调节算法调节出期望的额定值信号。
基于安装在用电设备40中的中间电路电容器C中间电路，可以针对性地在该中间电路电容器中储存“少量能量”，并且以此方式从电网接收非恒定的、而是适配的功率。其中，功率接收取决于待接收电流和电网电压。因此，通过对DC/DC转换器20的输入电流进行针对性调整，可对谐波施加影响。在此可以使用任一种例如满足以下条件的合适的电流波形(实施例1)：
外加电流具有恒定分量I恒定和加在该恒定分量上的绝对值|sin|，该绝对值以6倍电网频率为周期性的，特别是根据函数
Figure BDA0002192255080000071
其中α·是可缩放常数，
Figure BDA0002192255080000072
·是输入电流的峰值。
其中，基于三相整流器10而产生图2所示的一个相中的电网电流。正弦波在此具有6倍电网频率，其中直流偏移值与|sin|之间的分布可以通过变量α而实现。
在本实用新型的第二替代性实施方式(其结果由图3示出)中，使用具有偏移值的正弦信号来外加电流。在整流器10的作用下，这会形成图3所示的电网电流。在示例中，作为正弦信号的电流定义如下，
Figure BDA0002192255080000073
加在图中所示的偏移值
Figure BDA0002192255080000074
上。
图4对调节装置30的调节进行了阐述。对在此形成为降压转换器的DC/DC转换器20的调节如下：
借助电压调节器R对电压进行调节。其中，该电压调节器优选可实施为PI调节器。为了调节掉电压中的偏差，电压调节器R规定了电流i额定。在这个额定电流i额定上可以可选地叠加一个与用电设备40所接收的功率有关的附加电流i先导。在这样一种配置中可以达到DC/DC转换器20的更高调节动态(Regelungs-Dynamik)，这相当于功率先导控制。
接着，借助预定的数学函数和附加信号将由此而产生的电流iP转换成时变额定电流i(t)额定。其中，电流i(t)额定在波形上对应于具有叠加谐波的电流。其中，为此而选择的数学函数可以例示性地形成在以下函数中：
-加上信号Sig
-加上基于输入电流而增强的信号Sig
-根据输入功率加上信号Sig，或
-可以在DC/DC转换器上以及在DC/DC转换器中测量到的电流和电压的任意数学函数。
待加信号sig可以是5次、10次、15次等电网谐波的单谐波，或者是从电网电压或中间电路测得的且经调理的电压信号，或者是一个或数个通过PLL而与电网电压同步化的谐波。由此产生具有附加电流信号的期望电流分布以减少电网中的谐波。
为了改善动态，可以在电流调节器R之后接通DC-DC转换器20的固定工作循环D固定。固定工作循环在此是指根据输入电压和输出电压不会导致DC/DC转换器20中发生电流变化的工作循环。
在替代性实施方式中，DC/DC转换器可形成为数个DC/DC调节器的并联线路(交错模式)。在此仅需调整电流调节器的范围，因此，每一级在交错时具有自有的电流调节器。
其中，电流可以线性分布在并联的各级上。为此，在已有的调节段中借助数学函数进行电流分配。在最简单的实施方式中，均匀地分布在所有的电流调节器上。
图5是三种不同的情形下电网输入电流上的谐波对比。电网上所产生的谐波在左图中是具有恒定输入功率的输入电流的电流谐波，中图针对图2所示的实施变体1且右图针对图3所示的变体的替代性实施方式示出了电网上所产生的谐波。从中可清楚看到对谐波外加所产生的期望效果。
本实用新型的实施范围不限于前述优选实施例。凡是运用图示解决方案的技术变体，即便以完全不同的方式进行实施，也落入本实用新型的范围。

Claims (11)

1.一种电路配置，其特征在于，用于减少连接在交流电网(N)上的整流器(10)的输入电流的谐波，所述整流器用于为具有储存电容器(C中间电路)的直流电压用电设备(40)提供直流电压，所述电路配置包括连接在所述整流器(10)下游的直流电压调节器(20)以及调节装置(30)，所述调节装置被配置为用于为所述直流电压调节器(20)外加特别的电流，从而减少所述输入电流中的谐波分量。
2.根据权利要求1所述的电路配置，其特征在于，所述调节装置被配置为用于为波形近似的DC电流外加谐波电流信号。
3.根据权利要求1所述的电路配置，其特征在于，所述直流电压调节器(20)是DC/DC转换器。
4.根据权利要求3所述的电路配置，其特征在于，所述DC/DC转换器是升压转换器、降压转换器或CuK转换器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电路配置，其特征在于，所述直流电压调节器(20)由数个DC/DC调节器的并联线路和/或串联线路形成。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的电路配置，其特征在于，所述调节装置被配置为用于以与功率有关的方式来为所述直流电压调节器(20)外加具有非恒定振幅的电流。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的电路配置，其特征在于，所述调节装置被配置为用于以与预设额定值相关的方式来为所述直流电压调节器(20)外加所述特别的电流。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的电路配置，其特征在于，所述调节装置被配置为用于分别以所述输入电流中所包含的谐波的5次、11次、17次、…、5+n·6次谐波来为所述直流电压调节器(20)外加所述特别的电流。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的电路配置，其特征在于，从电网侧输入信号中产生用于将所述特别的电流外加在所述直流电压调节器(20)的电流上的电流信号。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的电路配置，其特征在于，所述储存电容器(C中间电路)是中间电路电容器，并且从包含所述中间电路电容器的中间电路中产生用于将所述特别的电流外加在所述直流电压调节器(20)的DC电流上的电流信号。
11.根据权利要求3或4所述的电路配置，其特征在于，在调节器输出端上为所述DC/DC转换器接通先导控制器，以便基于包含时间t、中间电路电压U中间电路和输入电压U输入的变量的数学函数f(t、U中间电路、U输入)来对所述DC/DC转换器进行先导控制。
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